尼龙-6准韧性特征的实验研究

尼龙-6准韧性特征的实验研究

尼龙-6（pa-6）是目前最大的聚合物之一，也是聚吡咯塑料工业中聚吡咯塑料工具的品种之一。它在许多领域的应用广泛用于汽车制造、电子工业和航空工业。尼龙-6是拉伸时为韧性、缺口冲击时为脆性的准韧性工程塑料。缺口敏感性是尼龙-6安全使用的隐患。为了适应发展的需要,对尼龙-6增韧的研究成为广泛关注的课题,而准确认识尼龙-6树脂的准韧性特征是尼龙-6增韧的关键,并且可以为尼龙-6的安全使用提供理论指导。所以本文通过缺口冲击、无缺口冲击、缺口拉伸等实验手段对尼龙-6拉伸时为韧性、缺口冲击时为脆性的准韧性特征进行深入研究,对尼龙-6的韧脆转变条件进行了较为深入的分析,以期为尼龙-6的实际应用和改性提供有益的理论依据。1实验部分1.1主要原材料实验用PA-6是广东新会美达尼龙切片有限公司生产,牌号334001.2冲击、拉伸样条的制备将尼龙-6在90℃干燥10h后,用震德塑料机械有限公司生产的CJ80MZ-NCⅡ型注塑机注塑成哑铃状的拉伸样条,然后将其中的一部分切成长80mm,宽10mm,厚4mm的长方体冲击样条。在冲击样条的中部开出缺口深度为2mm,缺口根部的曲率半径为0.25mm的缺口;将另一部分拉伸样条在中部同样开出缺口深度为2mm,缺口根部的曲率半径为0.25mm的缺口,试样中间部分的宽、厚与冲击试样相同。实验样条放在干燥皿中干燥48h,并分别在实验温度稳定三个小时后进行实验。2结果与分析2.1拉伸断裂断口观察尼龙-6悬臂梁缺口冲击实验样条由于弯曲作用的影响,形成了如图1所示的拉伸响应区、压缩响应区和中性层。缺口根部至中性层之间的部分受拉伸作用。而中性层过后的最后断裂区开始是受压缩作用,当裂纹扩展至中性层附近后,受力状态再次由压缩转变为拉伸,直至最后断裂。和金属材料不同的是,中性层并不是在断面的中间,而是拉伸响应区大约占2/3,压缩响应区大约占1/3.由于尼龙-6在缺口冲击实验中表现为脆性断裂,因此断口观察不出明显的拉伸收缩和压缩膨胀现象,但这一现象在尼龙-6无缺口冲击实验中十分明显。尼龙-6树脂是拉伸时为韧性、缺口冲击时为脆性的准韧性工程塑料。实验用的尼龙-6缺口冲击断裂功仅为0.21J。.按GB1042-96测定的尼龙-6的拉伸强度为69MPa,拉伸断裂伸长率为120%.对尼龙-6进行无缺口冲击实验发现,尼龙-6同样具有优良的无缺口冲击性能。从未冲断的PA-6无缺口冲击样条可以比较直观地观察到样条的拉伸响应区和压缩响应区。其拉伸响应区横截面因拉伸塑性变形而收缩,因收缩变形导致最小厚度比原试样厚度减小了15%左右。压缩响应区的横截面则因压缩而挤压膨胀。因膨胀变形导致的最大厚度比原试样厚度增加了13%左右。2.2宏观断裂特性尼龙-6的低缺口冲击韧性限制了它在一些领域的应用,相关学者对聚合物的缺口敏感性进行了研究。但对尼龙-6的准韧性特征缺乏深入分析,同时其缺口状态下脆韧转变的具体条件鲜见报道。本文通过尼龙-6单边缺口拉伸实验,对尼龙-6单边缺口拉伸实验中脆韧转变的具体条件有了半定量的认识。尼龙-6单边缺口拉伸实验结果显示:在实验速度范围内,随着拉伸速度增加,裂纹萌生功先增加,至15mm/min拉伸速度时达到最大值。继续增加拉伸速度至25、50mm/min时,裂纹萌生功略有降低(图2示);随着拉伸速度增加,裂纹扩展功始终表现为降低的趋势。当拉伸速度从15mm/min增加至25mm/min时,裂纹扩展功突然急剧降低(图3示)。由裂纹扩展功的变化可知,尼龙-6在单边缺口拉伸实验中发生韧脆转变所需的拉伸速度在15mm/min-25mm/min之间。拉伸速度为2mm/min、15mm/min时,材料的断裂方式为韧性,伴随着较高的裂纹扩展功,拉伸速度为25mm/min、50mm/min时,材料的断裂方式突变为脆性,相应的裂纹扩展功急剧降低。分析认为:拉伸速度为2mm/min、15mm/min时,可能缺口根部链段的屈服响应运动进行得比较充分,在缺口根部附近可观察到由于充分链段运动的进行而形成的微纤形貌(如图4示)。当拉伸速度升高至25mm/min以上后,链段的响应运动跟不上外力的作用速率,链段还处于冻结状态就被拉断,材料几乎来不及屈服变形就发生断裂。所以认为,在单边缺口拉伸实验中,尼龙-6表现出的韧脆断裂行为可能与其缺口根部的局部应变响应速率有关。当拉伸速度为2mm/min、15mm/min较低拉伸速度时,由于缺口根部前沿链段的响应运动进行得比较充分,导致缺口根部附近沿拉伸方向参与变形的范围增加,从而导致该区域的局部应变响应速率降低,裂纹扩展呈现韧性断裂方式。当拉伸速度提高至25mm/min以上后,链段响应运动跟不上外力的作用速率,可能链段还处于冻结状态就被拉断,所以认为缺口根部前沿沿拉伸方向参与变形的范围急剧降低,导致缺口根部的局部应变响应速率急剧上升,裂纹扩展呈现脆性断裂方式。通过对尼龙-6缺口拉伸脆韧转变行为分析后认为,尼龙-6差的缺口冲击韧性和良好的光滑试件拉伸性能主要与材料的局部应变响应速率有关。缺口冲击断裂时,由于冲击速度较高,加上缺口应力集中作用,缺口根部区域的塑变屈服响应范围极小,导致缺口根部的局部应变响应速率急剧上升,冲击样条表现为脆性断裂;尼龙-6的光滑试样进行拉伸实验时,由于没有了应力集中的束缚,再加上拉伸速度远小于冲击速度,所以实验样条可以有相当大的区域参与变形行为,从而导致变形区域的局部应变响应速率降低,材料表现出良好的拉伸断裂韧性。3拉伸特性的变化(1)尼龙-6的缺口冲击表现为脆性,而无缺口冲击则表现为韧性。其破坏区均可分为拉伸响应区、压缩响应区和中性层三个部分。在尼龙-6的无缺口冲击实验中,拉伸响应区横截面因拉伸塑性变形而收缩,因收缩变形导致的最小厚度比原试样厚度减小了15%左右。压缩响应区的横截面则因压缩而挤压膨胀。因膨胀变形导致的最大厚度比原试样厚度增加了13%左右。(2)在尼龙-6单边缺口